[发明专利]一种电池内电极材料应力监测装置、方法以及应用

说明书

本发明公开一种电池内电极材料应力监测装置、方法以及应用，属于电池领域，装置包括集流体、光纤、光纤光栅、极耳胶和导电金属片，电极材料附着于集流体上，光纤被包埋在电极材料中，光纤内部刻制有光纤光栅，光纤穿出集流体之外并贴合在集流体的边缘处，导电金属片通过焊接方式固定在集流体的表面，且穿出集流体之外并与光纤平行，极耳胶成对粘贴在集流体外的边缘处，并覆盖光纤上下表面和导电金属片的上下表面。本发明还提供以上监测装置的制备方法和应用。本发明装置解决了现有技术中无法原位、无损且精确获得电池内电极材料应变的技术问题。

技术领域

本发明属于电池领域，更具体地，涉及一种电池内电极材料应力监测装置、方法以及应用。

背景技术

电池在工作的过程中正极和负极都在进行化学反应以将能量在化学能和电能之间进行转换，这个过程中不仅有物质种类的变化，也伴随着结构的变化。以锂电池的负极为例，如果采用石墨负极，体积膨胀率约为12％，而能量密度更高的硅负极的体积膨胀率为300％，这种巨大的体积变化会带来结构的破损从而引起电池的失效。

为了更好的了解电极材料在实际充放电过程中体积变化过程，优化电极的结构来容纳体积变化带来的应力应变，需要对其过程进行原位的监控。

目前，对电极材料结构变化的分析大多使用循环过的电池拆解后再通过电子显微镜观察，这种手段虽然直观，但是需要昂贵的设备且不能进行原位观察。并且，该方法虽然可以得到应变的数值但是无法就应力进行定量分析。

因此，需要开发一种新型的电池内电极材料应力监测装置或者方法。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种电池内电极材料应力监测装置、方法以及应用，将内部刻制有光纤光栅的光纤包埋在电池的电极材料中，根据光纤光栅中波长的变化获得电极材料应力的变化，旨在解决现有技术中无法原位、无损且精确获得电池内电极材料应变的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种电池内电极材料应力监测装置，其包括集流体、光纤、光纤光栅、极耳胶和导电金属片，其中，电极材料附着于集流体上，光纤被包埋在电极材料中，光纤内部刻制有光纤光栅，光纤穿出集流体之外并贴合在集流体的边缘处，导电金属片通过焊接方式固定在集流体的表面，且穿出集流体之外并与光纤平行，极耳胶成对粘贴在集流体外的边缘处，并覆盖光纤上下表面和导电金属片的上下表面，采集光纤光栅中波长变化，从而获知电极材料的应变。

进一步的，所述光纤光栅为布拉格光纤光栅，所述光纤为单模光纤，所述集流体为铝箔或者铜箔。

进一步的，集流体、附着在集流体之上的电极材料以及包埋在电极材料之中的光纤整体形成组合体，展开的组合体呈条带状，条带状的组合体沿一端卷曲从而使组合体形成圆柱状或者圆饼状，获得绕卷叠层后的应力应变实时监测结构。

进一步的，还包括电性能测试仪和光谱仪，绕卷叠层后的应力应变实时监测结构被封装形成电池，电性能测试仪连通电池的正负极，以能实时获得电池的电性能，光纤伸出电池外，并与光谱仪连接，光谱仪用于采集布拉格光纤光栅的布拉格波长的变化，极耳胶用于密封以防止电解液泄漏。

进一步的，一根光纤中设置有多个布拉格光栅传感器，以监测不同部位的应力应变情况，光纤在电极材料内部呈直线或者弯曲排布。

按照本发明的第二个方面，还提供一种制备如上所述的电池内电极材料应力监测装置的方法，先将内部刻制有光纤光栅的光纤贴合放置在集流体上，接着将电极材料浆料涂覆在集流体上，然后执行烘干工艺，待烘干后进行裁切，获得所需形状，最后加工形成电池。

进一步的，烘干后，将附着有电极材料的集流体沿着光纤延伸方向裁切成条带状，从条带一端开始绕卷叠层，获得呈圆柱状或者圆饼状的应力应变实时监测结构。

按照本发明的第三个方面，还提供一种如上所述电池内电极材料应力监测装置的应用方法，其包括如下步骤：